TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 05 - 2007
Trang 33
MÔ PHỎNG MONTE CARLO ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT ĐỈNH CỦA ĐẦU
DÒ HPGE TRONG HỆ PHỔ KẾ GAMMA MÔI TRƯỜNG
SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP4C2
Trương Thị Hồng Loan, Mai Văn Nhơn, Đặng Nguyên Phương,
Trần Ái Khanh và Trần Thiện Thanh
Truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
(Bài nhận ngày 16 tháng 08 năm 2006, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 05 năm 2007)
TÓM TẮT: Trong bài báo này chương trình MCNP4C2 của phòng thí nghiệm Los
Alamos
[2]
được dùng để khảo sát đường cong hiệu suất đỉnh theo năng lượng của hệ đầu dò
HPGe của Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM cũng như sự
thay đổi của đường cong này theo khoảng cách giữa nguồn và đầu dò. Các nguồn được sử dụng
để khảo sát thực nghiệm kiểm chứng là Cs-137 (661,7 keV), Na-22 (1274,5 keV), và Co-60
(1173,3 keV và 1332,5 keV) được mượn ở Trung tâm đào tạo, Viện nghiên cứ
u hạt nhân Đà lạt.
Các nguồn giả định dùng để mô phỏng thêm là Am-241 (59,5 keV), Co-57 (122,1 keV), Se-75
(96,7 keV), Ba-133 (81,0 keV ; 356,0 keV), Eu-152 (1408,0 keV). Kết quả tỷ số giữa các hiệu
suất mô phỏng và thực nghiệm với các năng lượng khác nhau đều cao hơn 0,9 cho thấy chương
trình mô phỏng mà chúng tôi xây dựng được, dựa trên mã nguồn MCNP4C2 là đủ tin cậy cho
những nghiên cứu tiếp theo trên hệ phổ kế này.
1. GIỚI THIỆU
Bộ môn Vật lý hạt nhân Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM có hệ phổ kế gamma
dùng đầu dò germanium siêu tinh khiết dạng đồng trục của hãng Canberra năm 2004. Để sử
dụng hệ phổ kế này cần khảo sát các đặc trưng cơ bản của đầu dò như đường chuẩn năng lượng,
đường chuẩn hiệu suất, hiệu ứng che chắn phông….Vì Bộ môn không có được nhiều nguồn
chuẩ
n với năng lượng trải đều trong khoảng cho phép của đầu dò loại này tương ứng năng lượng
từ 50 keV đến hơn 2000keV nên song song với việc đo đạc thực nghiệm với các nguồn có được

khoảng 75 – 85 KeV. Các tia X này của chì có thể được ghi nhận bởi đầu dò và làm cho phổ
gamma bị nhiễu. Để hạn chế điều này người ta đã lót bên trong buồng chì các lớp đồng và thiếc
có bề dày tương ứng là 1,5mm và 1mm. Qua khảo sát
[6]
cho thấy một lớp thiếc dày 1mm có thể
hấp thụ được khoảng 95% các tia X của chì. Và sự có mặt của 1,5mm Cu đã làm tăng khả năng
hấp thụ lên tới 98,5% đối với các tia X của chì.

Hình 1.a. Cấu trúc của đầu dò HPGe (kích thước tính theo mm)
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 05 - 2007
Trang 35

Hình 1.b.
Sơ đồ cắt dọc của hệ đầu dò-buồng chì (kích thước tính theo cm)
Tất cả 3 nguồn chuẩn Cs-137, Na-22, Co-60 được mượn từ Trung tâm đào tạo Viện nghiên
cứu hạt nhân Đà lạt, đều thuộc Model Cal2601 Gamma Standard. Nguồn có dạng trụ nhỏ, với
đường kính 1mm, chiều cao 1mm được bao phủ bởi lớp plastic dày 2,7mm, có đường kính toàn
phần 25,4mm, chiều cao toàn phần 6,4mm. Các thông số khác của nguồn như hoạt độ, chu kỳ
bán rã, năng lượng, hiệu suất phát được cho trong
[3]
.
3. MÔ PHỎNG ĐƯỜNG CONG HIỆU SUẤT ĐỈNH CỦA ĐẦU DÒ HPGE
3.1.Xác định độ tin cậy của chương trình
Trước khi khảo sát, ta phải xác định được độ tin cậy của chương trình mô phỏng. Cách so
sánh tốt nhất là so sánh với các số liệu thực nghiệm đo được trong thực tế. Việc mô phỏng trước
hết được tiến hành với các nguồn mà ta đã đo được trong thực nghiệm. Chúng ta sẽ so sánh kết
quả hiệu suất của đầu dò HPGe trong mô phỏng với hiệu suất thu được trong thực nghiệm.
Hi
ệu suất thực nghiệm cần xác định ở đây là hiệu suất đỉnh được định nghĩa:
S

Cs-137 661,7 (10,82 ± 0,10).10
-4
Co-60 1173,7 (6,66 ± 0,08).10
-4

Na-22 1274,5 (6,35 ± 0,08).10
-4

Co-60 1332,5 (6,00 ± 0,08).10
-4

Kết quả hiệu suất mô phỏng với cấu hình hệ đo tương tự như của thực nghiệm được trình
bày ở Bảng 2. Tỉ số so sánh giữa hiệu suất mô phỏng với hiệu suất thực nghiệm được cho ở
Bảng 3. Ta thấy rằng các số liệu về hiệu suất thu được bằng chương trình MCNP là phù hợp với
các số liệu thu được từ thự
c nghiệm (tỉ số là trên 0,9).
Đây là một kết quả rất tốt, kết quả này đạt được chính là nhờ sự tính toán mô phỏng chính
xác của chương trình MCNP cũng như sự mô tả hình học của hệ đo một cách chi tiết và tỉ mỉ của
người sử dụng. Kết quả này cho thấy chương trình mô phỏng mà chúng tôi xây dựng dựa trên
mã nguồn MCNP4C2 là đủ tin cậy cho phép chúng ta tiếp tục mô phỏng hiệu suấ
t của các nguồn
giả định tiếp theo.
Bảng 3. So sánh giá trị hiệu suất thực nghiệm và mô phỏng
Năng lượng
(keV)
Hiệu suất thực nghiệm
(
tn
ε )
Hiệu suất mô phỏng (

thực nghiệm.
Dạng hình học của nguồn và cách bố trí thí nghiệm được thiết lập hoàn toàn giống với các
nguồn trước.
Các nguồn được chọn
[3]
để mô phỏng thêm bao gồm:
- Am-241 (59,5 keV – 36%)
- Co-57 (122,1 keV – 98%)
- Se-75 (96,7 keV – 3,41%)
- Ba-133 (81,0 keV – 34,11%; 356,0 keV – 61,94%)
- Eu-152 (1408,0 keV – 20,85%)
- Y-88 (1836,1 keV – 99,36%)
Kết quả mô phỏng của các nguồn còn lại này được trình bày ở Bảng 4.

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 05 - 2007
Trang 37
Bảng 4. Kết quả mô phỏng hiệu suất với các nguồn giả định
Nguồn Năng lượng (keV) Hiệu suất
Am-241 59,5 (7,74 ± 0,09).10
-4

Ba-133 81,0 (14,30 ± 0,12).10
-4

Se-75 96,7 (28,40 ± 0,17).10
-4

Co-57 122,1 (32,37± 0,18).10
-4Science & Technology Development, Vol 10, No.05 - 2007

Trang 38
3.3. Sự phụ thuộc của đường cong hiệu suất vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò
Để khảo sát sự phụ thuộc theo khoảng cách, chúng tôi mô phỏng đường cong hiệu suất theo
năng lượng ứng với các khoảng cách khác nhau 5 cm; 15,3 cm và 25 cm. Kết quả được cho ở
Bảng 5 và trình bày minh họa so sánh ở Hình 4.
Chúng ta thấy rằng đường cong hiệu suất theo năng lượng thay đổi khá rõ khi chúng ta thay
đổi khoảng cách từ nguồn đến đầu dò. Hiệu suất càng lớn khi khoảng cách càng gần. Hiệu suất ở
khoảng cách 5cm là khác biệt nhiều so với khoả
ng cách 15,3cm hay 25,0cm. Điều này được giải
thích là do khi nguồn để xa đầu dò góc khối thu nhận bức xạ giảm và ngoài ra còn do sự hấp thụ
bức xạ của không khí trên đường đi nhiều. Đặc biệt tại năng lượng 1332 keV của Co-60 khi
khoảng cách nguồn – đầu dò 25cm hiệu suất tuyệt đối mô phỏng cho giá trị 2,76.10
-4
tương
đương với hiệu suất tương đối 23.0% mà nó sai biệt 2,7% so với hiệu suất danh định của nhà sản
xuất (22,4%). Sai biệt này là không đáng kể và được coi như là nằm trong thăng giáng thống kê.
Có nhiều nguyên nhân gây nên thăng giáng này ví dụ cấu hình nguồn Co-60 giả điểm của nhà
sản xuất là không biết được và có thể khác chút ít so với cấu hình nguồn giả điểm trong mô
phỏng của nhóm tác giả.

Hình 4. Đường cong hiệu suất ở các khoảng cách 5 cm; 15.3 cm và 25 cm.
Bảng 5 Hiệu suất theo năng lượng ứng với các khoảng cách 5 cm; 15,3 cm và 25 cm
Năng lượng (kev) Hiệu suất mô phỏng
5 cm 15.3 cm 25 cm
59,5 (7,65 ± 0,03).10

-4
(8,40 ± 0,09).10
-4

661,7 (6,21 ± 0,02).10
-3
(10,82 ± 0,10).10
-4
(4,86 ± 0,07).10
-4

834,8 (5,08 ± 0,02).10
-3
(8,87 ± 0,09).10
-4
(3,91 ± 0,06).10
-4

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 05 - 2007
Trang 39
1173,7
(3,82
± 0,02).10
-3
(6,66 ± 0,08).10
-4
(3,00 ± 0,05).10
-4

1274,5 (3,64 ± 0,02).10

học Tự nhiên Tp.HCM.
Đầu tiên chúng tôi xác định độ tin cậy của chương trình mô phỏng bằng
cách so sánh hiệu suất ghi thực nghiệm và mô phỏng với các nguồn có thực Cs-137 (661,7 keV),
Na-22 (1274,5 keV), và Co-60 (1173,3 keV và 1332,5 keV) được mượn ở Trung tâm đào tạo,
Viện nghiên cứu hạt nhân Đà lạt. Kết quả tỷ số giữa các hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm với
các năng lượng khác nhau đều cao hơn 0,9 cho thấy chương trình mô phỏng mà chúng tôi xây
dựng được dựa trên mã nguồn MCNP 4C2 là
đủ tin cậy để nghiên cứu bằng phương pháp mô
phỏng những vấn đề liên quan đến hệ phổ kế HPGe này. Do đó chúng tôi tiếp tục hoàn thiện
đường cong hiệu suất bằng cách mô phỏng tiếp với một số nguồn giả định theo như Am-241
(59,5 keV), Co-57 (122,1 keV), Se-75 (96,7 keV), Ba-133 (81,0 keV ; 356,0 keV), Eu-152
(1408,0 keV). Sau đó chúng tôi tiến tới khảo sát sự thay đổi của đường cong hiệu suất theo
khoảng cách từ nguồn đến đầu dò. Kết quả cho thấ
y khi đặt nguồn ở khoảng cách gần đầu dò thì
ta thu được hiệu suất ghi đầu dò cao.
Như vậy phương pháp mô phỏng với chương trình MCNP4C2 có thể hỗ trợ cho người làm
thực nghiệm xây dựng đường cong hiệu suất theo năng lượng đủ chính xác cho hệ đo khi ta
không có nhiều nguồn chuẩn. Đó cũng là một trong những ưu điểm của việc mô phỏng này.
MONTE CARLO SIMULATION OF PEAK EFFICIENCY CURVES OF THE
SUPERPURE HPGE DETECTOR IN ENVIRONMENTAL GAMMA
SPECTROMETRY USING MCNP4C2 CODE
Truong Thi Hong Loan, Mai Van Nhon, Dang Nguyen Phuong,
Tran Ai Khanh and Tran Thien Thanh
University of Natural Sciences, VNU-HCM
ABSTRACT: In this paper, the Los Alamos Laboratory’s MCNP4C2 code
[2]
was used
to determine the peak effieciency curves of the HPGe detector of Nuclear Physics Department,
University of Natural Sciences of Ho Chi Minh City. We also investigated the changes of the
efficiency curves with the distances from sources to detector. The standard sources used for the